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Die
Erfindung betrifft eine Schleifvorrichtung zum Schleifen von Walzen,
insbesondere zum Schleifen von Walzen für Maschinen zur
Herstellung und/oder Veredelung einer Faserstoffbahn wie beispielsweise
einer Papier-, Karton- oder Tissuebahn, nach dem Oberbegriff von
Anspruch 1.
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Die
in der Papierindustrie verwendeten Walzen unterliegen einem unvermeidbaren
Verschleiß. Die Wiederaufarbeitung erfolgt derzeit üblicherweise durch
Transport der Walzen in ein Service Center und dortige Überarbeitung.
Da jedoch die Abmessungen und das Gewicht dieser Walzen immer mehr
zunehmen – über 100 t Gewicht und 12 m Länge
sind keine Seltenheit mehr – ist ein alternatives Konzept sowohl
wirtschaftlich wünschenswert als auch beispielsweise durch
Restriktionen im Güterverkehr notwendig. Hierzu bietet
sich eine Schleifvorrichtung an, welche mobil ist und in einfacher
Weise in eine Papierfabrik transportiert und dort betrieben werden kann.
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Für
Trockenzylinder von Papiermaschinen zur Herstellung von Tissuepapier
sind bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schleifen von Walzenoberflächen
bekannt, welche in der
WO 01/49451
A1 beschrieben sind. Die Trockenzylinder dieser Art von
Papiermaschinen sind einerseits sehr groß und andererseits
durch ihre beheizbare Auslegung schwer zu deinstallieren, weshalb
die Oberfläche dieser sog. Yankee-Zylinder stets in situ
bearbeitet werden muss. In der
WO 01/49451 A1 ist eine Schleifvorrichtung
zum Schleifen eines derartigen Yankee-Zylinders beschrieben, wobei
die Schleifvorrichtung in einer zur Walze im Wesentlichen parallelen
Richtung sowie zur Walze hin und von dieser weg verschiebbar ist.
Weiterhin ist ein der Schleifvorrichtung zugeordnetes und mit dieser
verschiebbares Meßsystem zur Vermessung der Walze und relativ
zu mindestens einer Bezugslinie vorgesehen, welche außerhalb
der Walze vorgesehen ist und parallel zur Achse der Walze verstellt
wird, wobei die relative Position in einer zur Bezugslinie vorzugsweise
lotrechten Ebene bestimmt wird. Der von der Schleifvorrichtung ausgeführte
Schleifvorgang, d. h. die Anpresskraft oder der Berührungsdruck,
wird auf der Basis der von dem Messsystem erhaltenen Messwerte geregelt.
Der Schleifvorgang erfolgt somit kraftgesteuert auf der Basis einer
vorherigen Vermessung der Oberfläche.
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Nachteilig
an dieser bekannten Schleifvorrichtung ist dabei einerseits, dass
das Meßsystem nicht die für die Bearbeitung von
Walzenoberflächen mit verschiedenen Bezügen geforderte
Genauigkeit erreicht und das kraftgesteuerte Schleifen bei weichen
bzw. elastischen Bezügen schwierig ist. Die weiter oben
erwähnten Yankee-Zylinder sind aus Metall bzw. mit einer
Keramik- oder Hartmetallbeschichtung versehen, jedoch nicht mit
einem weichen Bezug belegt.
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Zudem
ist die Eignung der gemäß der
WO 01/49451 A1 verwendeten
Bandschleiftechnologie für die Bearbeitung weicher Walzenbezüge
nicht im gewünschten Maß gegeben.
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Weiterhin
steht die bei der aus der
WO 01/49451
A1 bekannten Vorrichtung verwendete Führung auf
dem Schaberbalken nicht zur Verfügung; diese wäre
für geometriegeführtes Schleifen auch nicht geeignet.
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Herkömmliche
Schleifmaschinen, wie sie beispielsweise aus der
EP 1 584 396 A bekannt sind, weisen
den Nachteil auf, gänzlich fixiert an einen Ort zu sein.
Dies liegt insbesondere in der Ausbildung der Schleifbetten für
diese Schleifmaschinen. Derartige Schleifbetten umfassen dabei gewöhnlich
einen Betonquader großer Abmessungen und Masse, welcher
in einer geeigneten Ausnehmung im Untergrund beispielsweise einer
Halle angeordnet und auf Federn zur Schwingungsentkoppelung gelagert
ist. Ein solches Schleifbett kann mehrere hundert Tonnen wiegen
und ist somit nur äußerst aufwändig herzustellen.
Zudem widerspricht ein derartiges Schleifbett jeglicher Forderung
nach Mobilität. Schleifmaschinen mit einem derartigen Schleifbett
werden ausschließlich für den stationären
Gebrauch gebaut und können nicht transportiert werden.
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Es
ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Schleifvorrichtung für
Walzen anzugeben, welche mobil ist, ohne aufwendiges und schweres
Schleifmaschinenbett auskommt und zum Einsatz bei beliebigen Walzenoberflächen
geeignet ist.
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Dabei
sind als wichtigste Kriterien die Anforderungen an die Genauigkeit
und die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen
sowie die Abdeckung eines breit gefächerten Anwendungsfeldes
zu nennen.
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Erfindungsgemäß ist
daher vorgesehen, dass die Schleifvorrichtung stationäre
Komponenten und mobile Komponenten umfasst, die voneinander trennbar
sind, und wobei die stationären Komponenten Führungsschienen
umfassen, die sich im Wesentlichen parallel zu einer Walzenachse
der zu bearbeitenden Walze erstrecken und mit einem Untergrund verbunden
sind.
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Die
stationären Komponenten bewegen sich dabei in einem Rahmen,
welcher sich im Vergleich zu normalen Schleifbetten durch eine einfache
Installierbarkeit, geringe Fundamentierung und Kostengünstigkeit
auszeichnet. Die stationären Komponenten können
somit in jeder Papierfabrik, welche dies wünscht, vorhanden
sein, während die mobilen Komponenten von den stationären
Komponenten in einfacher Weise trennbar und die mobilen Komponenten dann
an andere Standorte verbracht werden können, um dort zum
Einsatz zu kommen.
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Somit
sind Papierfabriken weder zum Aufbau einer eigenen, sehr aufwendigen
stationären Schleifvorrichtung gezwungen, noch müssen
schwere und lange Walzen unter enormem Aufwand in Service-Center
verschickt werden. Auch der Erwerb der mobilen Komponenten entfällt,
da diese nach Bedarf in Form einer Serviceleistung geordert, benutzt
und wieder abtransportiert werden. Der Kostenfaktor für feste
Installationen ist somit gering.
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Weitere
vorteilhafte Aspekte und Ausgestaltungsvarianten gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Vorteilhafterweise
können die Führungsschienen direkt mit dem Untergrund,
mit in den Untergrund eingelegten Trägern oder mit einem
in den Untergrund eingelegten Rahmen verbunden sein, so dass eine
entsprechend den geforderten Genauigkeiten Fundamentierung erzielt
werden kann.
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Die
zu schleifende Walze ist bevorzugt auf mit dem Untergrund verbundenen
Lagerböcken anordnenbar.
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Zur
Entkoppelung der Lagerböcke und/oder den Führungsschienen
kann zwischen dem Untergrund und den Lagerböcken und/oder
zwischen dem Untergrund und den Führungsschienen eine passive Isolation
gegen Schwingungsanregung in Form einer Dämpfungsschicht
und/oder Dämpfungselementen in Form von Federelementen
vorgesehen sein. Dies ist eine einfache Maßnahme gegen
Schwingungsanregungen.
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Besonders
bevorzugt können die Lagerböcke und/oder die Führungsschienen
auch Vorrichtungen zur aktiven Entkoppelung vom Untergrund in Form
von steuer- und regelbaren Aktoren aufweisen. Dies ist eine zwar
aufwendige, jedoch sehr zuverlässige Form der Dämpfung.
Auch Mischformen aus aktiver und passiver Dämpfung sind
möglich.
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Um
die Bearbeitung sowohl großer als auch kleiner Walzendurchmesser
zu ermöglichen und die Position des Werkzeugs zur Oberflächenbearbeitung relativ
zur Walzenachse korrekt einstellen zu können, ist es von
Vorteil, wenn die Lagerstellen der Walze in den Lagerböcken
sowohl horizontal als auch vertikal verstellbar sind.
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Vorteilhafterweise
können die mobilen Komponenten der Schleifvorrichtung einen
auf den Führungsschienen beweglich geführten Längsschlitten umfassen,
der entlang einer Erstreckungsrichtung der Walzenachse der zu bearbeitenden
Walze verfahrbar oder verschieblich angeordnet ist.
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Bevorzugt
kann der Längsschlitten Lager aufweisen, welche mit den
Führungsschienen zusammenwirken. Bevorzugte Lagerformen
sind dabei Gleit- oder Wälzlager. Eine besonders bevorzugte Ausführung
sieht dabei die Ausbildung einer Fest-Los-Lagerung mit Rollenumlaufschuhen
vor, welche ein hohes Maß an Genauigkeit und guter Führung
bei wenig Anfälligkeit für Versätze quer
zur Bewegungsrichtung aufweisen.
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Auf
dem Längsschlitten ist vorzugsweise ein Querschlitten verfahrbar
oder verschieblich angeordnet, wobei eine Bewegungsrichtung des
Querschlittens im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung
des Längsschlittens orientiert ist. Dadurch sind die gewünschten
Freiheitsgrade in der Bewegung relativ zur Walze direkt und in einfacher
Weise ansteuerbar.
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Um
spezielle Bombierungen oder andere Oberflächenstrukturen
in die Walzenfläche einbringen zu können, ist
es weiterhin von Vorteil, wenn der Querschlitten gegenüber
dem Längsschlitten horizontal und/oder vertikal schwenkbar
ist.
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Auch
zwischen dem Längsschlitten und dem Querschlitten kann
ein Schienen-Lager-System ausgebildet sein, welches insbesondere
mit Umgriff von Lagern um Führungsschienen ausgebildet
sein kann, da hierdurch auch eine Sicherung gegen abhebende Kräfte
während der Bearbeitung möglich ist.
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Der
Querschlitten kann auf dem Längsschlitten fixiert oder
abnehmbar angeordnet sein. Eine fixierte Anordnung erleichtert den
Montageaufwand, da der Querschlitten nicht extra montiert werden muss,
andererseits trägt ein abnehmbarer Querschlitten zur Kompaktheit
der Vorrichtung bei.
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Vorteilhafterweise
kann an dem Querschlitten ein Werkzeug, insbesondere eine Schleifscheibe, ein
Bandschleifer, eine Rilliervorrichtung, eine Superfinishingvorrichtung
oder eine Honvorrichtung anordnenbar sein, was ein breites Anwendungsspektrum für
die Schleifvorrichtung sicherstellt.
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Besonders
bevorzugt erfolgt der Betrieb der Werkzeuge geometriegesteuert,
da hierdurch eine höhere Genauigkeit erreichbar ist.
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Gemäß einem
besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung weist die Schleifvorrichtung
Messeinrichtungen auf, durch welche eine Position der Schleifvorrichtung
relativ zu der zu bearbeitenden Walze bestimmbar ist.
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Vorzugsweise
können die Messeinrichtungen zumindest zwei Erfassungsvorrichtungen
für ein Referenzobjekt aufweisen, welche in Form von Scannern,
insbesondere von Laserscannern, ausgebildet sein können.
Scanner dieser Art erlauben eine einfach, aber sehr zuverlässige
Erfassung der Position von Objekten.
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Besonders
bevorzugt kann das Referenzobjekt in Form eines gespannten Drahtes
ausgebildet sein, welcher Draht im Wesentlichen parallel zu der Walzenachse
der zu bearbeitenden Walze angeordnet ist und zu der Walzenachse
in einer festgelegten, unveränderlichen geometrischen Beziehung
steht. Diese Referenzierung erlaubt eine genaue Lokalisierung der
räumlichen Position der wesentlichen Bestandteile der Vorrichtung
zueinander, so dass eventuelle Ungenauigkeiten in der mechanischen
Fundamentierung ausgleichbar sind.
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Bevorzugt
ist der Draht so angeordnet ist, dass er durch die Scanner erfassbar
ist, was durch eine entsprechende Geometrie der Scanner ermöglicht
wird.
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Die
Scanner können dabei jeweils paarweise sowohl an dem Längsschlitten
als auch an dem Querschlitten angeordnet sein. Die Auswahl kann
dabei jeweils nach Gesichtspunkten wie dem Schutz der Scanner während
des Transports, einfache Zugänglichkeit für das
Bedienpersonal etc. erfolgen.
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Weiterhin
können die Messeinrichtungen vorteilhafterweise zumindest
einen Neigungssensor aufweisen, welcher an dem Querschlitten angeordnet
ist und durch welchen eine Neigung des Querschlittens relativ zum
Untergrund erfassbar ist.
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Ebenso
ist von Vorteil, wenn die Messeinrichtungen zumindest einen Messtaster
aufweisen, welcher an dem Querschlitten angeordnet ist und durch
welchen eine Abtastung der zu bearbeitenden Walzenoberfläche
und/oder eine Entfernungsmessung der Schleifvorrichtung von der
Walzenachse möglich ist. Der Messtaster kann als induktiver
Messtaster oder als Lasertaster ausgeführt sein.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei welcher zumindest
ein weiterer Messtaster vorgesehen ist, welcher in Bezug auf die
Walzenachse gegenüber dem ersten Messtaster an einer Rückseite
der Walze angeordnet ist, durch welchen weiteren Messtaster Rundlauffehler
an den Auflagestellen der Walze erfassbar sind.
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Bevorzugt
können die Messwerte der Scanner, des Neigungssensors,
des zumindest einen Messtasters der Messeinrichtungen zur Steuerung und
Regelung der Position des Werkzeuges (17) mittels Stellvorrichtungen
(21, 25, 26) zugeführt werden, Die
Stellvorrichtungen können dabei beispielsweise in Form
von Piezo-Aktoren ausgeführt sein.
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Vorteilhafterweise
kann das Werkzeug durch zumindest eine Stellvorrichtung in Bezug
auf die Walzenachse in mehreren Ebenen schwenkbar sein.
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Zudem
kann das Werkzeug durch zumindest eine Stellvorrichtung in Richtung
auf die Walzenachse verstellbar sein. Auf diese Weise kann jede
beliebige Position angefahren und eine beliebige voreinstellbare
Oberflächenform wie beispielsweise besondere Bombierungen
angefertigt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher
beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte Prinzipskizze der erfindungsgemäß ausgestalteten
Schleifvorrichtung in einer Aufsicht von oben,
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2A–B
stark schematisierte Darstellungen zweier möglicher Maßnahmen
zur Schwingungsentkoppelung der erfindungsgemäß ausgebildeten Schleifvorrichtung,
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3 eine
schematisiert seitliche Ansicht der erfindungsgemäßen
Schleifvorrichtung mit zwei Walzen- bzw. Werkzeugdurchmessern,
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4A–C
stark schematisierte seitliche Darstellungen dreier möglicher
Fundamentierungen für eine erfindungsgemäße
Schleifvorrichtung,
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5 ein
Ausführungsbeispiel für einer Lagerung der erfindungsgemäß ausgebildeten
Schleifvorrichtung,
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6 zwei
stark schematisierte perspektivische Darstellungen des Längs-
und des Querschlittens der erfindungsgemäßen Schleifvorrichtung,
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7A–B
eine seitliche Darstellung und eine Aufsicht auf ein erstes bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Schleifvorrichtung,
und
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8A–B
eine seitliche Darstellung und eine Aufsicht auf ein zweites bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Schleifvorrichtung.
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In 1 ist
eine stark schematisierte Prinzipskizze in einer Aufsicht von oben
auf eine Schleifvorrichtung 1 gemäß der
Erfindung dargestellt.
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Die
Schleifvorrichtung 1 ist dabei in ihren wesentlichen Komponenten
mobil ausgeführt und kann innerhalb kurzer Zeit auf- und
abgebaut sowie mit geringem Aufwand transportiert werden und ist
damit insbesondere zur Verwendung in Papierfabriken geeignet, welche über
Papiermaschinen mit so langen und schweren Walzen verfügen,
dass deren Transport in ein Service Center zum Schleifen nicht wirtschaftlich
oder/oder aufgrund von gesetzlichen Vorgaben nicht möglich
ist. Diese Walzen 2 können mittels der erfindungsgemäßen
Schleifvorrichtung 1 vor Ort an einem dafür geeigneten
Platz wie beispielsweise einer Halle bearbeitet werden. Nach dem Schleifvorgang
kann die Schleifvorrichtung 1 abgebaut und zu einer anderen
Papierfabrik transportiert werden, so dass die teure und aufwendige
Aufstellung einer fixen Schleifvorrichtung entfallen kann. Lediglich
eine Fundamentierung muss in der jeweiligen Papierfabrik verbleiben,
um beim nächsten Schleifzyklus das erneute Aufsetzen der
Schleifvorrichtung 1 zu ermöglichen.
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Die
zu schleifende Walze 2 wird am gewählten Platz
auf Lagerböcken 3 mit geeigneten Fundamenten (in 1 nicht
sichtbar) aufgebaut. Die mobile Schleifvorrichtung 1, welche
gleichermaßen zum Schleifen und Vermessen der zu bearbeitenden
Walzenoberfläche geeignet ist, wird auf Führungsschienen 5 aufgesetzt
und auf diesen entlang der Walze 2 axial bewegt, während
die weiter unten näher beschriebenen messtechnischen Einrichtungen
ein ansonsten erforderliches oben bereits erwähntes Schleifbett
ersetzen.
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Um
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schleifvorrichtung 1 die
notwendige Steifigkeit beim Schleifprozess erreichen zu können
und um störende Umwelteinflüsse in Form von Schwingungsanregung kompensieren
zu können, ist somit eine möglichst starre Verbindung
zwischen den Lagerböcken 3 der Walze 2 und
den Führungsschienen 5 für die Schleifvorrichtung 1 notwendig.
Weiterhin muss trotz des Weglassens eines herkömmlichen
Schleifbettes eine grundlegende geometrische Beziehung zwischen
der Schleifvorrichtung 1 und der Walze 2 geschaffen
und aufrechterhalten werden.
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Zur
Schwingungsdämpfung sind verschiedene Konzepte möglich,
so kann beispielsweise eine passive Isolierung eingesetzt werden,
welche stark schematisiert in 2A dargestellt
ist, indem ein möglichst starrer Rahmen 4 in den
Untergrund 6 eingelegt wird, der die Lagerböcke 3 für
die Walze 2 und die Führungsschienen 5 für
die Schleifvorrichtung 1 trägt und zusätzlich
durch eine Dämpfungsschicht 7 gegen den Untergrund
isoliert ist.
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Alternativ
hierzu ist es jedoch auch möglich, aktiv kompensierende
Aufstellelemente 8 einzusetzen. Auch hier ist ein Rahmen 4 vorgesehen,
welcher jedoch starr mit dem Untergrund 6 verbunden ist,
um eine höhere Grundsteifigkeit zu erzielen. Zur Kompensation
von Weganregungen aus dem Untergrund 6 weist die Schleifvorrichtung 1 dann
eigene aktive Kompensationselemente 8 oder Aktoren auf,
wie aus 2B ersichtlich.
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Die
Lagerböcke 3 der Walze 2 müssen
eine als Referenz nutzbare Position der Walzenachse in vertikaler
und horizontaler Richtung garantieren. Je nach Größe
der zu bearbeitenden Walze 2 bzw. bei schwankenden Abmessungen
derselben sind die Lagerböcke 3 vorteilhafterweise
in zumindest einer Richtung verstellbar. Eine Anpassung der Position der
Lagerböcke 3 kann über eine Verschiebbarkeit der
Lagerböcke 3 relativ zueinander in axialer Richtung
und/oder relativ zum Untergrund 6 für Walzen 2 unterschiedlicher
Länge erfolgen, wobei ein zu den Führungsschienen 5 der
Schleifvorrichtung 1 paralleles Schienensystem (in den
Figuren nicht näher dargestellt) Verwendung finden kann.
Weiterhin muss eine kontinuierlich verstellbare Lagerstelle 9 der
Walze 2 im Lagerbock 3 für unterschiedliche
Walzendurchmesser vorhanden sein, oder es müssen zumindest
zwei diskrete Lagerstellen 9a, 9b für
zwei Gruppen von Walzendurchmessern vorhanden sein. Die Walzenachse
ist in beiden Fällen in horizontaler Richtung parallel
zum Untergrund 6 verschieblich, wie in 3 schematisch
in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Eine Ausführungsform
mit zwei diskreten Lagerstellen 9a, 9b ist eine
einfachere Lösung, während eine stufenlose Verstellung
der Lagerstelle 9 vielfältigere Einsatzbereiche
eröffnet.
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Weiters
ist sicherzustellen, dass sich die Achsen der Walze 2 und
eines die Walzenoberfläche bearbeitenden Werkzeugs 17 auf
gleicher Höhe befinden. Dies kann sowohl durch eine Verstellmöglichkeit
der Werkzeughöhe als auch durch eine Verstellmöglichkeit
der Lagerstellen 9a, 9b der Walze 2 in den
Lagerböcken 3 in vertikaler Richtung ermöglicht werden.
Die Anordnung eines in den Figuren nicht weiter dargestellten Walzenantriebes
und dessen konstruktive Integration kann in bekannter Weise wie bei
herkömmlichen Schleifmaschinen erfolgen.
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Bedingt
dadurch, dass die Führungsschienen 5 ein hohes
Maß an Genauigkeit bei der Verlegung fordern, um die für
den Schleifprozess benötigte Genauigkeit in der Bearbeitung
der Walzenoberfläche zu gewährleisten, ist es
empfehlenswert, die Führungsschienen 5 dauerhaft
auf dem Untergrund 6 zu befestigen. Für die Verbindung
zwischen Führungsschienen 5 und Untergrund 6 sind
verschiedene Möglichkeiten denkbar, wie in den 4A bis 4C jeweils
in seitlichen, stark schematisierten Ansichten dargestellt.
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Grundsätzlich
möglich ist eine direkte Verschraubung der Führungsschienen 5 auf
dem Untergrund 6, wie in 4A schematisch
dargestellt. Diese Variante weist den geringsten Aufwand zur Vorbereitung
des Maschinenstandortes auf, hat aber durch die geringe zu erreichende
Genauigkeit in der Ausrichtung der Führungsschienen 5 nicht
die gewünschte Genauigkeit bei der Bearbeitung zur Folge. Eine
weitere Ausführungsvariante kann das Aufschrauben der Führungsschienen 5 auf
jeweils einen Träger 10, der in den Untergrund 6 eingelassen
ist, vorsehen. Diese Ausführungsform ist aus 4B ersichtlich.
Der Träger 10 kann dabei so bearbeitet sein, dass
die Anschlusskonstruktion für eine Führungsschiene 5 den
Anforderungen genügt. Allerdings wäre auch hier
die Lage der Führungsschienen 5 zueinander nicht
ausreichend genau definiert. Als Konsequenz daraus und aus den oben
beschriebenen allgemeinen Betrachtungen zum Untergrund 6 kann
die in 4C dargestellte dritte und bevorzugte Ausführungsform
abgeleitet werden. Die Träger 10 sind dabei durch
den weiter oben bereits erwähnten Rahmen 4 miteinander
verbunden, wodurch die geometrische Lage der Führungsschienen 5 zueinander festgelegt
ist.
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Der
in den Untergrund 6 eingelassene Rahmen 4 dient
somit für die Führungsschienen 5 als eine
Art einfaches Maschinenbett, er definiert die geometrische Lage
der Führungsschienen 5 und kann entsprechend seiner
Auslegung auch zur Erhöhung der Steifigkeit dienen.
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Mit
den Führungsschienen 5 kommunizierende Lager 11 an
einem weiter unten näher beschriebenen Längsschlitten 15 der
Schleifvorrichtung 1 dienen als Schnittstelle zwischen
den mobilen und den stationären Komponenten der Schleifvorrichtung 1.
Mögliche Ausführungsvarianten für die
Lager 11 sind sowohl Gleitführungen als auch Wälzführungen, wobei
letztere sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht
die bevorzugte Ausführungsform darstellen, da sie sich
durch eine hohe Steifigkeit und Genauigkeit sowie einen geringen
Betriebsaufwand auszeichnen.
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Für
die Führungsschienen 5 können ebenfalls
zwei unterschiedliche Ausführungsformen in Betracht gezogen
werden. Einerseits kann unter Verwendung von Rollenumlaufschuhen 12 ein
offenes Führungssystem, auch bekannt als Fest-Los-Lagerung,
konzipiert werden, wie in 5 in einer
schematischen seitlichen Ansicht dargestellt. Hierbei wirkt eine
der Führungsschienen 5 mit einem Festlager 12a,
die andere mit einem Loslager 12b zusammen. Die mit dem
Festlager 12a zusammenwirkende Führungsschiene 5a weist
dabei einen trapezförmigen, sich in Richtung auf die Schleifvorrichtung 1 verjüngenden
Querschnitt auf, an dessen Seitenflächen 13 zwei
Lagerrollen 12a angreifen, während das Loslager 12b auf
der zweiten Führungsschiene 5b lediglich aufliegt.
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Der
Vorteil eines derartigen offenen Führungssystems ist die
Möglichkeit, die mobile Schleifvorrichtung 1 in
einfacher Weise ohne Montageaufwand auf die Führungsschienen 5 aufsetzen
zu können. Weiterhin ist die Empfindlichkeit gegenüber
geometrischen Fehlern quer zur Bewegungsrichtung durch die Loslagerseite
gering. Die dargestellte offene Führung ist auch in Hinblick
auf die nicht oder nur in geringfügigem Ausmaß auftretenden
abhebenden Kräfte denkbar, ein Umgriff ist nicht zwingend
notwendig.
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Andererseits
ist jedoch auch die Verwendung von zu einem geschlossenen System
mit Umgriff führenden Lagern 11 denkbar und möglich.
Dadurch ist auch eine Abstützung gegen stärkere
abhebende Kräfte möglich. Hinsichtlich der Eignung
als Schnittstelle zwischen stationären und mobilen Komponenten
der Schleifvorrichtung 1 weist diese Ausführungsform
allerdings den Nachteil auf, dass die geschlossenen Lager 11 nicht
abgehoben werden können. Sie könnten beispielsweise
montiert an eine Grundplatte permanent auf den Führungsschienen 5 aufgesetzt
bleiben. Hierzu müssen Lager 11 und Grundplatte
an jedem Einsatzort separat vorhanden sein. Dies ist zumindest ein
Kostenfaktor, jedoch bestehen zudem durch die Überbestimmtheit
des Systems hohe Anforderungen an die Parallelität der
Führungsschienen 5, was erhöhte Anforderungen
an die Rahmenstruktur 4 zur Folge hat.
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Das
Fehlen eines klassischen Maschinenbettes zur Aufnahme aller Komponenten
der Schleifvorrichtung 1 hat zwangsläufig auch
eine geringere geometrische Genauigkeit der Führungsschienen 5 zur
Folge. Dies lässt sich durch die Verwendung eines entsprechenden
direkten Messverfahrens kompensieren. Neben den sich direkt abbildenden
Fehlern in horizontaler Richtung führen auch Abweichungen
der vertikalen Position zwischen der zu bearbeitenden Walze 2 und
einem Werkzeug 17 zu Differenzen in der Eingriffstiefe
und damit zu Bearbeitungsfehlern. In Abhängigkeit von der
Fundamentierung der Schleifvorrichtung 1 und somit der
erreichbaren geometrischen Genauigkeit der Führungsschienen 5 ergeben
sich Relativbewegung zwischen Werkzeug 17 und Walze 2 in
horizontaler Richtung. Auch vertikale Fehler müssen kompensiert
werden, sobald sie einen relevanten Einfluss auf die Arbeitsgenauigkeit erreichen.
Die Empfindlichkeit gegenüber Fehlern in vertikaler Richtung
nimmt mit kleiner werdendem Achsabstand zwischen Walze 2 und
Werkzeug 17 zu.
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Als
Referenz für die Vermessung der Walze 2 vor der
Bearbeitung dient ein geeignetes stationäres Referenzobjekt 14,
dessen Position relativ zu einem durch die Walzenachse definierten
globalen Koordinatensystem K bekannt und unveränderlich
ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Referenzobjekt 14 in
Form eines gespannten Drahtes 14 ausgebildet, es sind jedoch
auch andere Referenzobjekte 14 wie beispielsweise eine
Messschiene in definierter Position möglich. Die Position
des Drahtes 14 wird durch eine Kalibrierung mit Hilfe zumindest geeigneter
Messeinrichtungen ermittelt, wie weiter unten näher erläutert.
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Der
Draht 14 dient als Referenz für die Walzenachse.
Folglich muss seine Position in Bezug auf die Walze 2 bzw.
die Walzenachse unveränderlich sein. Der Draht 14 wird
im Ausführungsbeispiel auf beiden Seiten durch vertikal
und/oder radial verstellbare Rollen gehalten, auf einer Seite starr
befestigt und auf der anderen durch ein Gewicht bekannter Masse
gespannt. Diese Anordnung ist im Prinzip bekannt und wird bei dem
weiter oben beschriebenen Schleifverfahren gemäß dem
Stand der Technik verwendet. Die Halterungen des Drahtes 14 müssen
fest mit den Lagerböcken 3 der Walze 2 bzw.
mit dem Fundament 4 verbunden sein. Es ist jedoch auch denkbar,
die Halterungen den mobilen Komponenten der Schleifvorrichtung 1 zuzuordnen.
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Der
bereits weiter oben erwähnte Längsschlitten 15 der
Schleifvorrichtung 1 ist Träger der weiter unten
beschriebenen Messeinrichtungen 16 und der Werkzeuge 17.
Sowohl die Messeinrichtungen 16 als auch die Werkzeuge 17 sind
dabei bevorzugt auf einem Querschlitten 18 angeordnet,
welcher seinerseits auf dem Längsschlitten 15 angeordnet
ist. Wie aus 6 stark schematisiert in zwei
perspektivischen Ansichten ersichtlich, ist als Koppelstelle zwischen
dem Längsschlitten 15 und dem Querschlitten 18 ebenfalls
ein Schienen-Lager-System 19 vorgesehen. Der Längsschlitten 15 bewegt
sich entlang einer Erstreckungsrichtung der Walzenachse, also längs
zur Walze 2, während der Querschlitten 18 in
radialer Richtung auf die Walze 2 zustellbar ist. Die Bewegungsrichtung
des Längsschlittens 15 ist somit im Wesentlichen
rechtwinkelig zu derjenigen des Querschlittens 18 orientiert.
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Um
spezielle Bombierungen oder Oberflächenformen bei der Walzenbearbeitung
herstellen zu können, ist der Querschlitten 18 zudem
auch verschwenkbar gegenüber dem Längsschlitten 15 gelagert.
Auch eine verschwenkbare Lagerung des Werkzeugs 17 gegenüber
dem Querschlitten 18 ist zur Erreichung dieses Ziels möglich.
Dem Verschwenken sind schleiftechnische Grenzen gesetzt, damit beispielsweise
nicht die Schleifscheibe mit der Kante an der Walze 2 angreift,
somit ist ein Verschwenkbereich von ca. ±10° ausreichend.
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Für
den Querschlitten 18 ist eine Führung von Vorteil,
welche einen Umgriff von Lagern um Führungsschienen erlaubt
(in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht weiter dargestellt), da der Querschlitten 18 wegen
seines vergleichsweise geringeren Gewichtes gegen abhebende Kräfte
zu schützen ist. Der Querschlitten 18 kann dabei
permanent auf dem Längsschlitten 15 aufgesetzt
oder zum Transport abnehmbar sein.
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In
dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist
als Werkzeug 17 beispielhaft eine Schleifscheibe dargestellt.
Hierbei können die derzeit verwendeten Schleifmittel wie
beispielsweise Schleifsteine von 300–900 mm Durchmesser
in Verwendung kommen. Diese haben den Vorzug bekannter ausreichender
technologischer Eigenschaften. Die große Spannweite der
Durchmesser erfordert jedoch einen großen Versteilbereich
des Querschlittens 18. Weiterhin sind keramisch gebundene
Scheiben (CBN oder Diamant) verwendbar. Diese haben nur geringe Verschleißbereiche
(5 mm), somit wäre für den Vorschub ein deutlich
geringerer Bereich ausreichend.
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Außerdem
kann – im Ausführungsbeispiel nicht näher
dargestellt – der Querschlitten 18 auch zur Aufnahme
von Vorrichtungen zum Superfinish oder Honen vorbereitet sein. Ein
Antrieb für das jeweilige Werkzeug 17 kann auf
dem Längsschlitten 15, dem Querschlitten 18 oder
auch extern angebracht sein.
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Zur
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere zur Erhöhung
der Stabilität und zur Verringerung der Anregbarkeit für
Schwingungen, muss der Längsschlitten 15 möglichst
massereich ausgeführt sein. Dies kann beispielsweise durch
Mineralguss in freien Volumina, Füllung mit Sand oder Wasser,
Einlegen von Beschwerungsplatten o. ä. erfolgen.
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In
den 7A bis 7B und 8A bis 8B sind
zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Schleifvorrichtung 1 stark schematisiert jeweils in einer
seitlichen Ansicht und in einer Aufsicht dargestellt. Hierbei ist
insbesondere zu bemerken, dass die äußere Form
und die geschlossene Kastenausbildung nicht auf die dargestellten,
im wesentlichen eine quaderartige Grundform aufweisenden Ausführungsbeispiele
begrenzt ist, dies ist lediglich eine Vereinfachung, die eine übersichtliche
Darstellung der erfindungswesentlichen Merkmale erlaubt. Es können
andere Formen, welche z. B. durch abgerundete Kanten die Betriebssicherheit
für das Bedienpersonal erhöhen, wie auch andere
Konstruktionen wie beispielsweise Gitterstrukturen gewählt
werden, wenn dadurch beispielsweise die Handhabung, die Anordnung
der an dem Längsschlitten 15 montierten Werkzeuge 17 oder
die Einbringung von Beschwerungsplatten vereinfacht wird.
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Die
beispielhaft dargestellten Schleifvorrichtungen 1 versuchen
jedoch, die Größenordnung der jeweiligen Komponenten
darzustellen, da beispielsweise die Kollisionsfreiheit des Längsschlittens 15 mit
der Walzenoberfläche für alle Werkstückdurchmesser
sowie die Kollisionsfreiheit der Werkzeuge 17 mit dem Längsschlitten 15 beachtet
werden müssen. Hier können entsprechende Taschen
oder Ausnehmungen 20 vorgesehen sein (siehe z. B. 8A),
um dennoch einen kompakten Aufbau zu realisieren und somit eine
gute Steifigkeit der Vorrichtung mit einem geeignet positionierten
Schwerpunkt zu garantieren.
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Der
Antrieb der Schleifvorrichtung 1, welcher in den Figuren
zur Wahrung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist,
kann mit entsprechender Anpassung der Komponenten auf diverse mögliche
Antriebskonzepte zurückgreifen. Für den Längsvorschub
entlang der zu bearbeitenden Walze 2 ist auf Grund des
langen Verfahrweges ein Zahnstange-Ritzel-Antrieb eine vorteilhafte
Ausführungsvariante. Aber auch andere Antriebskonzepte
wie Kugelgewindetriebe oder lineare Direktantriebe sind möglich. Derartige
Antriebe und ihre Anordnung an dem anzutreibenden Gegenstand sind
im Prinzip bekannt, so dass auf eine Beschreibung an dieser Stelle
verzichtet werden kann. Zum Antrieb des Querzeugschlittens 18 sind
ebenfalls beliebige, im Prinzip bekannte Antriebskonzepte, die die
geforderte Genauigkeit und Bewegungsauflösung in der Zustellbewegung erbringen,
anwendbar.
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Für
die Positionierung des Querschlittens 18 sowie für
die Nachführung im Betrieb werden geregelte Bewegungsachsen
benötigt, die eine axiale Bewegung (z-Vorschub) und eine
radiale x-Zustellung einschließlich eines Ausgleichs von
Führungsbahnabweichungen sowie für eine zur Kalibrierung
erforderliche Bewegungsachse für das Schwenken der Messeinrichtungen 16 realisieren.
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Der
Querschlitten 18 ist, wie beispielsweise in 7A gut
ersichtlich, in Form eines entsprechend steifen Gestells ausgebildet.
Der Antrieb des Werkzeugs 17 kann direkt durch eine Motorspindel
oder indirekt durch eine Übertragung mittels Riemen realisiert
werden. Für die Feinjustage des Werkzeugs 17 können
für eine aktive Ausrichtung der Schleifachse zusätzliche
Bewegungsachsen beispielsweise in Form von Piezo-Aktoren 21 oder
anderen feinmotorischen Achsen vorgesehen sein (siehe unten).
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In
den 7A, 7B, 8A und 8B wird
folgende Nomenklatur für die Koordinatensysteme K und K'
verwendet: im globalen Koordinatensystem K zeigt die z-Richtung
entlang der Walzenachse, die x-Richtung fällt mit der radialen
Zustellachse des Werkzeugs 17 zusammen, die y-Richtung
gibt die Vertikale an. Entsprechend sind dieselben Richtungen mit
u (entspricht x), v (entspricht y) und w (entspricht z) im lokalen
Koordinatensystem K' bezeichnet. Weiterhin sind die Bezeichnungen
xl, yl, zl für eine in der Aufsicht linke
Erfassungsvorrichtung 22 und xr,
yr, zr für
eine in der Aufsicht rechte Erfassungsvorrichtung 22 vorhanden.
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Die
im Ausführungsbeispiel zwei Erfassungsvorrichtungen 22 oder
Scanner 22, beispielsweise Laserscanner, erfassen den Referenzdraht 14 und
gestatten, in Verbindung mit einem Neigungssensor 23 die
Lage und Richtung eines lokalen Koordinatensystems K' auf dem Querschlitten 18 zu
bestimmen. Die Scanner 22 können dabei, wie in 7A dargestellt,
auf dem Querschlitten 18 ausgebildet sein, oder, wie aus 8A ersichtlich,
im Längsschlitten 15 angeordnet sein. Die Auswahl kann
beliebig beispielsweise nach Kriterien der Bedienbarkeit, der geschützten
Anordnung etc. erfolgen.
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Für
die Oberflächenabtastung der Walze 2 mittels eines
Messtasters 24 ist eine Verstellmöglichkeit des
Messtasters 24 zur Einhaltung des Messbereiches je nach
aktueller Größe des Werkzeugs 17 (im
Ausführungsbeispiel der Schleifscheibe) erforderlich. Dies
kann in diskreten Schritten realisiert werden, da während
des Messvorgangs keine Änderung erforderlich ist. Die räumliche
Lage der Messeinrichtungen 16 in Bezug auf das lokale System
(K') muss entweder bekannt sein oder sich aus der aktuellen Lage
der Bewegungsachsen bestimmen lassen. Eine diesbezügliche
Vermessung des Längsschlittens 15 der Schleifvorrichtung 1 ist
zwingend erforderlich.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Messeinrichtungen 16 wie
beschrieben zwei Scanner 22 und einen Neigungssensor 23,
welche auf dem Querschlitten 18 der Schleifvorrichtung 1 angeordnet
sind. Hierdurch ist es möglich, die Lage und Orientierung
des lokalen Koordinatensystems K' auf dem Längsschlitten 15 zu
ermitteln, in welchem die Position der Messeinrichtungen 16 und
des Werkzeugs 17 bekannt sind. Aus den festgestellten Abweichungen
zwischen den globalen Koordinatensystemen K und dem lokalen Koordinatensystem
K' werden beim Bearbeiten der Walze 2 die Sollwerte für
die Zustellbewegung angepasst.
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Für
die Oberflächenabtastung kommen herkömmlich bereits
bekannte Messtaster 24 in Frage. Dazu sind induktive Messtaster 24,
welche eine hohe Genauigkeit (ca. 0,1 μm) aufweisen und
für alle fraglichen Oberflächen geeignet sind,
bereits üblicherweise in Verwendung. Ein Nachteil ist ihre
begrenzte Dynamik, weshalb unter Umständen die Walzendrehzahl
beim Messen begrenzt werden muss. Eine vollständige, lückenlose
Vermessung dauert dann entsprechend lange. Alternativ sind Lasermesssysteme anwendbar,
die heutzutage auch die Vermessung spiegelnder Oberflächen
erlauben. Diese arbeiten berührungslos und erreichen inzwischen
ebenfalls Genauigkeiten von ca. 0,2 μm. Mechanische Systeme
zum Anfahren des Messtasters 24 können hierbei entfallen,
weil der Messtaster 24 beim Schleifen nicht zurückgefahren
werden muss, anders als ein induktiver Messtaster 24.
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Der
Messwert des Systems mit den Ergebnissen der Referenzierung und
die fixen bekannten Positionen der Messeinrichtungen 16 liefern
einen Messpunkt auf der Walzenoberfläche, ausgedrückt
in einem Radius zur Walzenachse. Bei rotierender Walze 2 können
entweder bei kontinuierlicher axialer Bewegung des Längsschlittens 15 entlang
der Walze 2 längs einer Schraubenlinie Messpunkte
gesetzt werden oder bei schrittweiser Bewegung mehrfache Umdrehungen
zur Messpunktgewinnung verwendet werden. Ein permanent verfügbares
Signal zur aktuellen Winkelstellung der Walze 2 wird vorausgesetzt.
Nach vollständiger Vermessung der Walzenoberfläche werden
die Ergebnisse zu einer 3D-topografischen Oberflächenbeschreibung
zusammengefasst.
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Eine
zusätzliche Aufgabenstellung bei der Bearbeitung von Walzen 2 besteht
in der Erkennung von Rundlauffehlern im Bereich des Zapfens, auf dem
die Walze 2 gelagert ist. Wenn schleifscheibenseitig alle
Rundlauffehler beseitigt sind, können theoretisch auf der
Rückseite noch Schwankungen auftreten, die durch die Auflagestellen
der Walze 2 in den Zapfen verursacht sind. Für
derartige Untersuchungen kann ein weiteres Messsystem (auf der Walzenrückseite
installierbar) oder das direkte Vermessen des Zapfens vorgesehen
werden (in den Figuren nicht weiter dargestellt).
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Bei
dem für die erfindungsgemäße Schleifvorrichtung 1 präferierten
geometrisch geführten Schleifverfahren erfolgt im Unterschied
zum weiter oben beschriebenen kraftgesteuerten Schleifverfahren
gemäß dem Stand der Technik die Zustellung auf der
Basis der Referenzierung. Dazu wird zu Beginn eines Schleifschrittes
die Walze 2 angefunkt. Der so definierte Stützwert
bestimmt das Schleifprofil.
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Nach
Erreichen der gewünschten Kontur (Rundlauf/Profil/Bombierung)
durch die Schleifbearbeitung können weitere Bearbeitungsschritte
wie Polieren erfolgen. Hier wird generell kraftgesteuert gearbeitet.
Dies gilt speziell für Zusatzkomponenten wie Superfinish-Vorrichtungen.
Die bekannten dynamischen Antriebe sind dafür prinzipiell
geeignet.
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Die
geforderte hohe Genauigkeit setzt voraus, dass die geometrischen
Verhältnisse auf dem Längsschlitten 15 exakt
bekannt sind. Das gilt speziell für die Lage der Nullpunkte
der Messeinrichtungen 16 und die Ausrichtung der Schleifachse
im lokalen Koordinatensystem K'. Die Bestimmung dieser Werte kann
vorab erfolgen, jedoch ist die genaue Ermittlung der Lage des Referenzdrahtes 14,
wozu eine externe Bestimmung des Walzendurchmessers an zwei festzulegenden
axialen Positionen erforderlich ist, in jedem Fall vor jedem neuen
Schleifvorgang erforderlich.
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Das
gilt auch für den Fall, dass die Drahtbefestigungen eigentlich
nicht verändert wurden, da beispielsweise beim Einlegen
der Walze 2 in die Lagerböcke 3 Veränderungen
an der Geometrie erfolgen können, welche sich anschließend
auf die Schleifgenauigkeit auswirken können.
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Betrachtet
man insbesondere die 7A und 8A, sind
die diversen Verstellmöglichkeiten der einzelnen Komponenten
erkennbar. Mit s ist der Verfahrweg einer Stellvorrichtung 25 bezeichnet, welche
gestützt auf die durch den Neigungssensor 23 ermittelten
Werte die Neigung des Querschlittens 18 regeln kann. Dies
ist wünschenswert, da die Lage der Achsen von Walze 2 und
Werkzeug 17 vorzugsweise auf gleicher Höhe liegen.
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Die
radiale Zustellbewegung in x-Richtung für das Werkzeug 17,
welche durch den Messtaster 24 geregelt ist, erfolgt durch
eine weitere Stellvorrichtung 26 (siehe 7B und 8B).
Hierzu erfolgt ein steter Abgleich der Messwerte rw und
ud (Entfernung des Messtasters 24 von
der Walzenoberfläche) im Vergleich zu sw (Walzenradius)
Eine Anstellung des Werkzeugs 17 ist durch die Piezo-Aktoren 21 möglich,
so dass spezielle Profile und Bombierungen erzeugt werden können.
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Der
gesamte Ablauf wird programmgesteuert geführt, überwacht
und ausgewertet. Die Regelung der Antriebe, die Auswertung der verschiedenen Sensoren
und Sicherheitsvorkehrungen können durch eine im Prinzip
bekannte konventionelle NC-Steuerung oder eine Motion-Steuerung übernommen
werden.
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In
Bezug auf die erzielenden Genauigkeiten, welche bei herkömmlichen
stationären Schleifvorrichtungen ausschließlich
durch die geometrische Genauigkeit des Schleifbettes bestimmt sind,
ist zu erwarten, dass durch die messtechnische Unterstützung
mittels Referenzierung und Abtastung eine ebenso hohe Genauigkeit
in der Bearbeitung der Walzen 2 erzielbar ist, obwohl die
Fundamentierung leicht und einfach herstellbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 01/49451
A1 [0003, 0003, 0005, 0006]
- - EP 1584396 A [0007]